El principio de funcionamiento de los interruptores.
- El conmutador establece la asignación entre la dirección MAC de origen y el puerto del conmutador de acuerdo con la trama de datos recibida y la escribe en la tabla de direcciones MAC.
- El conmutador compara la dirección MAC de destino en la trama de datos con la tabla de direcciones MAC establecida para decidir qué puerto la reenviará.
- Si la dirección MAC de destino en la trama no está en la tabla de direcciones MAC, se reenvía a todos los puertos. Este proceso se llama inundación.
- Las tramas de difusión y las tramas de multidifusión se reenvían a todos los puertos.
Las tres funciones principales de los interruptores.
Aprendizaje: el conmutador Ethernet aprende la dirección MAC de cada dispositivo conectado al puerto y asigna la dirección al puerto correspondiente en la tabla de direcciones MAC en la memoria caché del conmutador.
Reenvío/filtrado: cuando la dirección de destino de una trama de datos se asigna en la tabla de direcciones MAC, se reenvía al puerto del nodo de destino conectado en lugar de a todos los puertos (o a todos los puertos si la trama de datos es una transmisión/multidifusión). marco).
Eliminación de loops: Cuando un switch incluye un loop redundante, el switch Ethernet evita la creación de loops a través del protocolo Spanning Tree, al mismo tiempo que permite la existencia de una rutina de respaldo.
Características de funcionamiento de los interruptores
- Cada puerto del conmutador está conectado a un segmento que es un dominio de conflicto independiente.
- Los dispositivos conectados al conmutador siguen estando en el mismo dominio de difusión, es decir, el conmutador no está aislado de la difusión (la única excepción es en un entorno con una VLAN).
- El conmutador reenvía información según el encabezado de la trama. Por lo tanto, el conmutador es un dispositivo de red que trabaja en la capa de enlace de datos (el conmutador aquí se refiere solo al dispositivo de conmutación tradicional de Capa 2).
Clasificación de interruptores
De acuerdo con los diferentes modos de operación del interruptor al procesar tramas, hay dos categorías principales.
- Conmutación de almacenamiento y reenvío: el conmutador debe recibir la trama completa y realizar una verificación de errores antes de reenviar. Si no hay errores, la trama se envía a la dirección de destino. El retraso de reenvío de la trama a través del conmutador varía con la longitud de la trama.
- Conmutación de corte: el conmutador reenvía la trama tan pronto como verifica la dirección de destino contenida en el encabezado de la trama, sin esperar a que la trama se reciba en su totalidad y sin verificación de errores. Dado que la longitud del encabezado de la trama de Ethernet siempre es fija, el retraso en el envío de la trama a través del conmutador sigue siendo el mismo.
Conmutador de capa 2 vs capa 3 vs capa 4
Entendimiento 1:
La conmutación de capa 2 (también conocida como puente) es un puente basado en hardware. Los paquetes se reenvían según la dirección MAC única de cada sitio final. El alto rendimiento de la conmutación de capa 2 puede generar diseños de red que aumenten la cantidad de hosts por subred. Todavía tiene las características y limitaciones del puente.
La conmutación de capa 3 es un enrutamiento basado en hardware. La principal diferencia entre un enrutador y un conmutador de capa 3 en las operaciones de conmutación de paquetes es la implementación física.
La conmutación de capa 4 se define simplemente como la capacidad de tomar decisiones de reenvío basadas no solo en MAC (puente de capa 2) o direcciones IP de origen/destino (enrutamiento de capa 3), sino también en puertos de aplicación TCP/UDP. Permite que la red diferencie entre aplicaciones al decidir el enrutamiento. La capacidad de priorizar los flujos de datos en función de aplicaciones específicas. Proporciona una solución más granular a las técnicas de calidad de servicio basadas en políticas. Proporciona una manera de diferenciar entre tipos de aplicaciones.
Entendimiento 2:
Conmutador de capa 2: basado en la dirección MAC
Conmutador de capa 3: proporciona la función VLAN para conmutación y enrutamiento. Basado en IP (red)
Conmutador de capa 4: basado en puerto (aplicación)
Entendiendo 3:
La tecnología de conmutación de capa 2 ha evolucionado de puentes a VLAN (red de área local virtual) y se ha utilizado ampliamente en la construcción y transformación de LAN. La tecnología de conmutación de capa 2 funciona en la segunda capa de la interconexión de sistemas abiertos (OSI), es decir, la capa de enlace de datos. Reenvía paquetes de acuerdo con la dirección MAC de destino de los paquetes recibidos y es transparente para la capa de red o los protocolos de capa superior. No procesa la dirección IP de la capa de red ni la dirección del puerto de los protocolos de capa superior como TCP y UDP, solo necesita la dirección física del paquete (dirección MAC). El intercambio de datos se logra mediante hardware y su velocidad es bastante rápida, lo cual es una ventaja significativa de la conmutación de Capa 2. Sin embargo, no puede manejar el intercambio de datos entre diferentes subredes IP. Los enrutadores tradicionales pueden manejar una gran cantidad de paquetes a través de subredes IP, pero su eficiencia de reenvío es menor que la de la Capa 2. Por lo tanto, para aprovechar la alta eficiencia de reenvío de la Capa 2 y para manejar paquetes IP de Capa 3, la conmutación de Capa 3 nació la tecnología.
El principio de funcionamiento de la tecnología de conmutación de Capa 3: la conmutación de Capa 3 funciona en la tercera capa de OSI, es decir, la capa de red. Utiliza la información del encabezado del paquete IP en el protocolo de capa 3 para marcar el tráfico de datos subsiguiente, y los paquetes subsiguientes del tráfico con la misma etiqueta se conmutan a la capa de enlace de datos 2. De esta manera, un canal puede ser abierta entre la dirección IP original y la dirección IP de destino. Esta ruta pasa a través de la capa de enlace 2. Con esta ruta, el conmutador de capa 3 no necesita desempaquetar los paquetes recibidos cada vez para determinar la ruta, sino que reenvía directamente los paquetes e intercambia el flujo de datos.
Entendimiento 4:
Tecnología de conmutación de capa 2
La tecnología de conmutación de capa 2 está madura. Los switches de capa 2 son dispositivos en la capa de enlace de datos. Pueden identificar direcciones MAC en paquetes de datos, reenviar paquetes de datos basados en direcciones MAC y registrar las direcciones MAC y los puertos correspondientes en una tabla de direcciones interna. El flujo de trabajo específico es el siguiente:
Cuando un conmutador recibe un paquete de un puerto, primero lee la dirección MAC de origen en el encabezado del paquete para saber a qué puerto está conectada la máquina con la dirección MAC de origen.
Luego lea la dirección MAC de destino en el encabezado del paquete y busque el puerto correspondiente en la tabla de direcciones;
Si hay un puerto correspondiente a la dirección MAC de destino en la tabla, el paquete de datos se copia directamente en el puerto.
Si no se puede encontrar ningún puerto correspondiente en la tabla, el conmutador transmite el paquete a todos los puertos. Cuando la máquina de destino responde a la máquina de origen, el conmutador aprende qué puerto corresponde a la dirección MAC de destino. Entonces, el conmutador no necesita transmitir todos los puertos en la próxima transmisión de datos.
En este proceso, se puede aprender la información de la dirección MAC de toda la red. De esta forma, el conmutador de Capa 2 establece y mantiene su propia tabla de direcciones.
El principio de funcionamiento de los switches de capa 2 se puede inferir de la siguiente manera:
Dado que el conmutador intercambia simultáneamente los datos de la mayoría de los puertos, requiere un amplio ancho de banda de bus de conmutación. Si el conmutador de capa 2 tiene N puertos, el ancho de banda de cada puerto es M y el ancho de banda del bus del conmutador excede N×M, el conmutador puede realizar la conmutación a velocidad de cable.
Conozca la dirección MAC de la máquina conectada al puerto, escriba en la tabla de direcciones, el tamaño de la tabla de direcciones (generalmente de dos formas: BEFFER RAM, valor de entrada MAC), el tamaño de la tabla de direcciones afecta la capacidad de acceso del conmutador .
Otra es que los conmutadores de capa 2 generalmente contienen un chip de circuito integrado específico de la aplicación (ASIC) especialmente utilizado para procesar el reenvío de paquetes, por lo que la velocidad de reenvío puede ser muy rápida. Como diferentes fabricantes usan ASIC, afecta directamente el rendimiento del producto.
Los tres puntos anteriores también son los principales parámetros técnicos para juzgar el rendimiento de los conmutadores de capa 2 y 3, por lo que debe prestar atención a la comparación al considerar la selección del equipo.
Tecnología de enrutamiento
El enrutador opera en la Capa 3 del modelo OSI, la capa de red, que funciona de manera similar a la conmutación de Capa 2, pero el enrutador funciona en la Capa 3. Esta distinción dicta que el enrutamiento y la conmutación utilizan información de control diferente cuando pasan paquetes e implementan funciona de manera diferente. El principio de funcionamiento es que también hay una tabla dentro del enrutador, y lo que indica esta tabla es que si va a un lugar determinado, el siguiente paso debe ir allí, y si puede encontrar en la tabla de enrutamiento a dónde va el paquete. a continuación, se agrega y reenvía la información de la capa de enlace; si no puede saber hacia dónde se dirige a continuación, el paquete se descarta y se devuelve un mensaje a la dirección de origen.
La tecnología de enrutamiento es esencialmente solo dos funciones: determinar la ruta óptima y reenviar paquetes. Se escribe diversa información en la tabla de enrutamiento, el algoritmo de enrutamiento calcula la mejor ruta a la dirección de destino y luego el mecanismo de reenvío relativamente simple y directo envía el paquete de datos. El siguiente enrutador que recibe los datos continúa reenviándolos de la misma manera, y así sucesivamente, hasta que el paquete llega al enrutador de destino. La tabla de enrutamiento se mantiene de dos maneras diferentes. Uno es la actualización de la información de enrutamiento, que publica parte o la totalidad de la información de enrutamiento. Los enrutadores pueden dominar la estructura de topología de toda la red aprendiendo la información de enrutamiento unos de otros. Este tipo de protocolo de enrutamiento se denomina protocolo de enrutamiento por vector de distancia. La otra es que los enrutadores transmiten su propia información de estado de enlace, aprenden unos de otros para dominar la información de enrutamiento de toda la red y luego calculan la mejor ruta de reenvío. Este tipo de protocolo de enrutamiento se denomina protocolo de enrutamiento de estado de enlace. Debido a que el enrutador necesita realizar muchos cálculos de ruta, el rendimiento del procesador general está directamente determinado por su capacidad de trabajo. Por supuesto, este juicio sigue siendo para enrutadores de gama baja, porque los enrutadores de gama alta a menudo adoptan un diseño de sistema de procesamiento distribuido.
Tecnología de conmutación de capa 3
La creación de redes es relativamente simple
Dispositivo A usando IP —- Conmutador de capa 3 —- Dispositivo B usando IP
Por ejemplo, si A quiere enviar datos a B y se conoce la IP de destino, entonces A usa la máscara de subred para obtener la dirección de red y determinar si la IP de destino está en el mismo segmento de red que él.
Si el usuario está en el mismo segmento de red pero no conoce la dirección MAC requerida para el reenvío de datos, el Usuario A envía una solicitud ARP. El usuario B devuelve su dirección MAC. El usuario A usa la dirección MAC para encapsular el paquete de datos y lo envía al conmutador.
Si las direcciones IP de destino se muestran en diferentes segmentos de red. Para habilitar la comunicación entre A y B, el primer paquete normal se envía a una puerta de enlace predeterminada si no hay una entrada de dirección MAC correspondiente en la entrada de caché de flujo. Esta puerta de enlace predeterminada se ha configurado en el sistema operativo, correspondiente al módulo de enrutamiento de Capa 3, por lo que los datos son visibles para diferentes subredes. La dirección MAC de la puerta de enlace predeterminada se coloca primero en la tabla de direcciones MAC. Luego, el módulo de capa 3 recibe el paquete, consulta la tabla de enrutamiento para determinar la ruta a B y construye un nuevo encabezado de trama, en el que la dirección MAC de la puerta de enlace predeterminada es la dirección MAC de origen y la del host B es el destino. Dirección MAC. La relación correspondiente entre las direcciones MAC y los puertos de reenvío de los hosts A y B se establece a través de un cierto mecanismo de activación de identificación, y se registra la tabla de entrada de caché entrante. Los datos posteriores de A a B se transfieren directamente al módulo de conmutación de capa 2. Esto se conoce comúnmente como un reenvío de rutas múltiples.
Lo anterior es un breve resumen del proceso de trabajo de un conmutador de Capa 3, que muestra las características de la conmutación de Capa 3.
- El reenvío de datos de alta velocidad se realiza mediante una combinación de hardware.
Esto no es un simple conmutador de Capa 2 y un enrutador superpuestos. Los módulos de enrutamiento de capa 3 se superponen directamente en el bus de backplane de alta velocidad de la conmutación de capa 2, superando el límite de velocidad de interfaz de los enrutadores tradicionales, y la velocidad puede alcanzar decenas de Gbit/s. Junto con el ancho de banda del backplane, estos son dos parámetros importantes para el rendimiento del switch de Capa 3.
- El software de enrutamiento simple simplifica el proceso de enrutamiento.
La mayor parte del reenvío de datos, excepto que la selección de ruta necesaria es procesada por el software de enrutamiento, es reenviada por el módulo de capa 2 a alta velocidad. El software de enrutamiento es en su mayoría eficiente y optimizado después del procesamiento, en lugar de simplemente copiar el software en el enrutador.
Conclusión:
Los conmutadores de capa 2 se utilizan en redes LAN pequeñas. En Lans pequeñas, los paquetes de difusión tienen poco impacto. Los conmutadores de capa 2, con su función de conmutación rápida, múltiples puertos de acceso y bajo costo, brindan una solución perfecta para usuarios de redes pequeñas.
Las ventajas del enrutador son tipos de interfaz enriquecidos, potentes funciones de capa 3 y potentes capacidades de enrutamiento. Es adecuado para el enrutamiento entre redes grandes. Sus ventajas radican en las funciones de selección de la mejor ruta, reparto de carga, respaldo de enlaces e intercambio de información de enrutamiento con otras redes.
La función más importante del conmutador de capa 3 es acelerar el envío rápido de datos dentro de la gran LAN. La función de enrutamiento también se agrega para cumplir este propósito. Si una red grande se divide en Lans pequeñas en función de los departamentos, las regiones y otros factores, dará lugar a una gran cantidad de acceso a Internet, que no se puede realizar simplemente mediante el uso de conmutadores de capa 2. Por ejemplo, debido a la cantidad limitada de interfaces y la velocidad lenta de enrutamiento y reenvío, la velocidad y la escala de la red se verán limitadas si solo se usan enrutadores. Por lo tanto, se prefieren los conmutadores de capa 3 con funciones de enrutamiento y funciones de reenvío rápido.
En términos generales, si se utilizan conmutadores de capa 3 para realizar esta tarea en una red con mucho tráfico de datos de intranet y requieren un reenvío y una respuesta rápidos, los conmutadores de capa 3 se sobrecargarán y la velocidad de respuesta se verá afectada. Por lo tanto, es una buena estrategia de red asignar enrutadores para completar el enrutamiento entre redes y aprovechar al máximo las ventajas de los diferentes dispositivos.
Tecnología de conmutación de capa 4
Una definición simple de conmutación de capa 4 es que es una función que determina el transporte en función no solo de las direcciones MAC (puentes de capa 2) o las direcciones IP de origen/destino (rutas de capa 3), sino también de la aplicación TCP/UDP (capa 4). números de puerto Las funciones de conmutación de capa 4 son como una IP virtual que apunta a servidores físicos. Transmite servicios utilizando varios protocolos, como HTTP, FTP, NFS, Telnet y otros protocolos. Estos servicios se basan en servidores físicos y requieren complejos algoritmos de equilibrio de carga.
En el mundo IP, el tipo de servicio está determinado por la dirección del puerto TCP o UDP del terminal. En la conmutación de Capa 4, el intervalo de aplicación está determinado por las direcciones IP de la fuente y el terminal, y los puertos TCP y UDP. En la conmutación de Capa 4, se establece una dirección IP virtual (VIP) para cada grupo de servidores de búsqueda. Cada grupo de servidores admite ciertas aplicaciones. Cada dirección de servidor de aplicaciones almacenada en el servidor de nombres de dominio (DNS) es una dirección VIP, no una dirección de servidor real. Cuando un usuario solicita una aplicación, se envía una solicitud de conexión VIP (por ejemplo, un paquete TCP SYN) con un grupo de servidores de destino al conmutador del servidor. El cambio de servidor selecciona el mejor servidor del grupo, reemplaza el VIP en la dirección del terminal con la dirección IP del servidor real y envía la solicitud de conexión al servidor. De esta forma, todos los paquetes en el mismo intervalo son mapeados por el switch del servidor y transmitidos entre el usuario y el mismo servidor.
El principio de la conmutación de la cuarta capa:
La cuarta capa del modelo OSI es la capa de transporte. La capa de transporte es responsable de la comunicación de extremo a extremo, es decir, coordina la comunicación entre el origen de la red y los sistemas de destino. En la pila de protocolos IP, esta es la capa de protocolo donde residen TCP (un protocolo de transporte) y UDP (Protocolo de paquetes de usuario). En la capa 4, los encabezados TCP y UDP contienen números de puerto que distinguen de manera única qué protocolos de aplicación (como HTTP, FTP, etc.) contiene cada paquete. Los sistemas de punto final utilizan esta información para distinguir los datos en los paquetes y, en particular, el número de puerto permite que un sistema informático receptor determine el tipo de paquete IP que ha recibido y lo entregue al software de alto nivel apropiado. La combinación de un número de puerto y una dirección IP del dispositivo a menudo se denomina socket. Los números de puerto entre 1 y 255 están reservados. Se denominan puertos "familiares", es decir, son los mismos en todas las implementaciones de host de la pila TCP/IP. A los servicios UNIX estándar se les asignan números de puerto que van del 256 al 1024, con la excepción del número de puerto "familiar". A las aplicaciones personalizadas se les asignan números de puerto superiores a 1024. La lista más reciente de Números de puerto asignados se puede encontrar en RFc1700 "Números asignados". El número de puerto TCP/UDP proporciona información adicional que puede utilizar el conmutador de red, que es la base de la conmutación de Capa 4.
Ejemplos de números de puerto familiares son:
Número de puerto del protocolo de aplicación
FTP 20 (datos), 21 (control)
TELNET 23
SMTP25
HTTP 80
NNTP 119
NNMP 16 162 (capturas SNMP)
El número de puerto TCP/UDP proporciona información adicional que puede utilizar el conmutador de red, que es la base de la conmutación de Capa 4. Un conmutador de capa 4 puede actuar como una interfaz de "IP virtual" (VIP) para un servidor. Configure una dirección VIP para cada servidor y grupos de servidores que admitan aplicaciones únicas o genéricas. La dirección VIP se envía y se registra en el sistema de nombres de dominio. Al realizar una solicitud de servicio, el conmutador de capa 4 reconoce el inicio de una sesión determinando el inicio de TCP. Luego utiliza algoritmos complejos para determinar el mejor servidor para manejar la solicitud. Una vez tomada esta decisión, el conmutador se asociará con una dirección IP específica, reemplazando la dirección VIP en el servidor con la dirección IP real del servidor. Cada conmutador de Capa 4 tiene una tabla de conexión asociada con la dirección IP de origen y el puerto TCP de origen que coinciden con el servidor seleccionado. El conmutador de capa 4 luego reenvía la solicitud de conexión a este servidor. Todos los paquetes posteriores se reasignan y reenvían entre el cliente y el servidor hasta que el conmutador descubre la sesión. En el caso de la conmutación de Capa 4, el acceso se puede vincular a servidores reales para cumplir con las reglas especificadas por el usuario, como tener la misma cantidad de acceso en cada servidor o asignar el tráfico de acuerdo con la capacidad de los diferentes servidores.